Las ventas mundiales de vehículos eléctricos de batería (BEV) y automóviles habían crecido rápidamente entre 2015 y 2023. Por ejemplo, en los EE. UU., las ventas de automóviles BEV aumentaron de 240,000 en 2020 a casi 1,2 millones en 2023, impulsadas por un fuerte apoyo político con un panorama similar en las otras regiones clave de China y Europa. Pero la industria se ha encontrado con un entorno más desafiante en 2024. Mientras que las ventas siguen siendo relativamente fuertes en China, se ha producido una desaceleración en el crecimiento de las ventas de VE en Europa y América del Norte.

Hay numerosas razones para ello, como la falta de modelos y un entorno económico difícil, pero unas baterías mejores y más baratas y unos VE de mayor rendimiento siguen siendo fundamentales para convencer a los consumidores de que los compren. Una mayor autonomía, tiempos de carga más rápidos y un rendimiento estable en climas más fríos podrían ser importantes para acelerar las perspectivas de los BEV, y las baterías de iones de litio con ánodos de silicio ofrecen una vía para lograrlo.

Mayor rendimiento del silicio

La iteración actual de las baterías de iones de litio está empezando a alcanzar sus límites de rendimiento. Son necesarios cambios en los materiales de los electrodos y en los diseños de las celdas para ir más allá de las densidades energéticas de unos 600-700 Wh/l, que presentan las celdas de última generación basadas en ánodos de grafito y cátodos de NMC/NCA con alto contenido en níquel. Dado que el porcentaje de níquel en los cátodos de NMC/NCA ya empieza a alcanzar el 90%, las ganancias de capacidad y densidad energética del cátodo serán limitadas. Del mismo modo, los diseños de las células están relativamente bien optimizados y, aunque es posible que se produzcan nuevas mejoras, es poco probable que se produzcan grandes cambios en el rendimiento debido a las innovaciones en el diseño de las células. A nivel de célula, esto deja la elección del material del ánodo como una palanca clave para mejorar el rendimiento de la batería, con el silicio emergiendo como una alternativa líder al grafito utilizado actualmente en la mayoría de las baterías de iones de litio.

La densidad energética de las pilas de iones de litio basadas en ánodos de grafito y cátodos NMC/NCA de alto contenido en níquel ha empezado a estabilizarse. Fuente: IDTechEx

El silicio tiene una capacidad teórica de 3590 mAh/g, frente a los 372 mAh/g del grafito. Esta elevada capacidad permite que los ánodos que utilizan silicio sean más delgados y menos densos, lo que se traduce en mayores densidades energéticas y contribuye a mejorar la capacidad de carga rápida. Las composiciones de ánodos con cantidades incluso modestas de silicio pueden mejorar significativamente la densidad energética, mientras que los ánodos con alto contenido o predominio de silicio podrían permitir mejoras de la densidad energética del 30-50%, con valores superiores a 1.000 Wh/l.

La capacidad de carga rápida también puede mejorarse mediante el uso de silicio, una característica cada vez más importante para los fabricantes de baterías y los OEM de automóviles. Muchos desarrolladores de ánodos de silicio están destacando las mejoras en este campo. Por ejemplo, Daejoo Electronic Materials tiene previsto comercializar en 2025/26 un material que permitirá tiempos de carga de 15-18 minutos. Group14 Technologies ha suministrado material a Molicel para células de 265 Wh/kg y 714 Wh/l que pueden funcionar en ciclos repetidos a una velocidad de carga de 5C (12 minutos de carga). Storedot se ha centrado en la capacidad de carga, desarrollando baterías que permiten añadir 160 km de autonomía a un vehículo eléctrico tras una carga de 5 minutos, mientras que otros muchos desarrolladores informan de las mejoras en la velocidad de carga de las baterías que son posibles gracias a sus tecnologías de ánodos de silicio.

Múltiples vías para la adopción del silicio

A pesar de las prometedoras ventajas del uso del silicio, su gran expansión volumétrica, de hasta un 300%, provoca numerosos problemas, desde el consumo de electrolito y litio hasta la pérdida de conductividad eléctrica e iónica, lo que en última instancia se traduce en una baja vida útil del ciclo. Por eso, cuando se ha utilizado material de silicio, ha sido como aditivo del grafito en porcentajes de peso bajos. Se están desarrollando numerosas tecnologías y soluciones para permitir el uso de silicio por encima del 10% del ánodo y hacia composiciones en las que el silicio constituya la mayor parte, si no el 100%, del material activo del ánodo. Entre los materiales y tecnologías que se están desarrollando figuran los compuestos de silicio-carbono, los compuestos de silicio-grafito, los óxidos de silicio, los materiales de silicio puro y las nanoestructuras de silicio. Todo ello junto con el uso de diversos materiales de revestimiento, aditivos electrolíticos y otras técnicas diseñadas para mejorar el ciclo y la vida útil.

Las distintas soluciones que se están desarrollando pueden ofrecer ventajas y desventajas distintas. Por ejemplo, los compuestos de silicio-carbono han despertado un gran interés, con materiales que suelen incorporar silicio en estructuras de carbono poroso mediante un proceso de deposición química de vapor (CVD). La estructura porosa de carbono ofrece espacio para la expansión volumétrica del silicio al tiempo que proporciona conductividad eléctrica, pero el control del proceso de deposición puede resultar difícil y la producción puede ser cara. Del mismo modo, la deposición directa de estructuras de silicio sobre una lámina conductora, aunque ofrece la posibilidad de obtener las ventajas de rendimiento más significativas, también es probable que siga siendo cara y exigiría un mayor cambio en el proceso de producción de las células.

El coste podría seguir siendo un obstáculo

Como ya se ha señalado, el coste puede seguir siendo un obstáculo para la adopción a gran escala de soluciones de ánodos de silicio más avanzadas. El precio del material del ánodo de silicio es superior al del grafito en términos de USD/kg y USD/kWh. Es probable que el alto grado de ingeniería de los materiales de los ánodos de silicio, el uso de gas silano en algunos casos y la fase relativamente temprana del mercado de los ánodos de silicio limiten el potencial de reducción de costes a corto plazo. No obstante, la mayor capacidad del silicio permite utilizar menos material, mientras que la amplia disponibilidad de silicio y la creciente capacidad de producción y competencia ofrecen esperanzas de soluciones competitivas en costes en el futuro. A corto plazo, es probable que el despliegue de la próxima generación de materiales para ánodos de silicio con mayor porcentaje de silicio llegue primero a los segmentos de vehículos eléctricos de gama alta, así como a otras aplicaciones con menor sensibilidad al precio, como los smartphones o los drones.

Los ánodos de silicio podrían desempeñar un papel importante en la aceleración del despliegue de los vehículos eléctricos al aportar mejoras potencialmente significativas en la densidad energética y los tiempos de carga de las baterías de iones de litio. Para obtener más información sobre la gama de tecnologías de ánodos de silicio que se están desarrollando, comercializando y produciendo, incluidos los compuestos de Si-C y Si-Gr, los óxidos de silicio y los materiales de silicio puro, consulte el informe de IDTechEx «Silicon Anode Battery Technologies and Markets 2025-2035: Actores, tecnologías, aplicaciones, mercados y previsiones».